0 引言

隨著社會的發(fā)展，天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。而在使用的過程中管道內(nèi)的粉塵，碎屑物質(zhì)的積累會使得管道的輸送成本提高，輸送效率降低。人為清理管道成本高，而且工序復(fù)雜。因此使用小型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動化清理管道便成為最經(jīng)濟(jì)，合理的選擇。我國的天然氣輸送管道的直徑一般在426mm～720mm。由于粉塵與碎屑黏附在管道內(nèi)徑表面會導(dǎo)致內(nèi)徑的不均勻變化，并且在某些地段有90°直角管道。因此針對這些現(xiàn)實(shí)情況目前國內(nèi)外研究人員都提出許多有價值的方案。Thes系列輪式管道機(jī)器人就是由東京工業(yè)大學(xué)研發(fā)的[1]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧全宗開發(fā)了針對海底管道的六輪驅(qū)動式機(jī)器人[2]，韓國的CHOI也研制出了MRINSPECT系列的多關(guān)節(jié)輪式小車[3]。因此由以往文獻(xiàn)可知，目前的管道清洗機(jī)器人以履帶、輪子實(shí)現(xiàn)在管道中的移動的居多數(shù)。但是針對直角管道的轉(zhuǎn)向問題卻未有充分研究，因此轉(zhuǎn)向技術(shù)仍有缺陷，并且市場尚不成熟。

針對目前管道清洗機(jī)器人存在的缺點(diǎn)，基于基本的機(jī)械原理[4]和設(shè)計[5]，運(yùn)用CAD軟件進(jìn)行仿真模擬，并通過參數(shù)分析，設(shè)計出了一種新型履帶式管道清洗機(jī)器人。此機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在大范圍內(nèi)徑變化范圍較大的管道的通行，并且能順利通過90°管道以及丁字形等復(fù)雜管道；同時可以在有淤泥及光滑的管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)無障礙行進(jìn)；并且機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在垂直方向的爬行運(yùn)動。

1 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)

本機(jī)器人主體由行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)組成，三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人三維示意圖及實(shí)物圖

本機(jī)構(gòu)初步設(shè)計目標(biāo)是為在天然氣及輸送管道中行走除污。為了適應(yīng)不管道內(nèi)徑不均勻變化的情況，采用傘狀伸縮結(jié)構(gòu)，易于對機(jī)腿進(jìn)行伸縮變換；同時為了使機(jī)器人在管道中無障礙行走、越障爬行以及轉(zhuǎn)向，使用三個減速電機(jī)為行走機(jī)構(gòu)提供行進(jìn)動力；一個減速電機(jī)為旋轉(zhuǎn)絲杠提供動力，通過旋轉(zhuǎn)絲杠實(shí)現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)伸縮；一個減速電機(jī)為機(jī)體后蓋旋轉(zhuǎn)提供動力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動。

1.1 行走機(jī)構(gòu)

本機(jī)器人，為實(shí)現(xiàn)履帶與管壁的緊密貼合，三組完全相同的履帶行走機(jī)構(gòu)呈120°對稱分布在機(jī)身主體外架上。行走機(jī)構(gòu)三維示意圖如圖2所示。

圖2 行走結(jié)構(gòu)三維示意圖及實(shí)物圖

為確保行走機(jī)構(gòu)在管道中有足夠的動力行進(jìn)并且摩擦力適當(dāng)，并且在機(jī)器人處于垂直攀爬時，管道內(nèi)徑對機(jī)器人的摩擦力可以支撐機(jī)器人本生的重力。對于履帶外形尺寸參數(shù)的設(shè)計需要嚴(yán)謹(jǐn)合理的推導(dǎo)計算。

首先，因?yàn)槁膸У膶捳c摩擦力有密切關(guān)系。如果履帶較窄，它的行進(jìn)時摩擦力小及所提供的行進(jìn)動力就小；若履帶太寬時，貼壁效果不明顯，提供的摩擦力就小。因此利用CAD作圖，如圖3所示的模擬的方法分析。

設(shè)履帶寬為d。

為了達(dá)到更好的貼壁效果：

a為履帶的齒高，取10mm；

選取履帶的寬度為：B=150mm。

然后，分析履帶的長度。因?yàn)槁膸У拈L度與轉(zhuǎn)彎的性能有關(guān)，若履帶的長度大時，會有更大的摩擦力作用于機(jī)器人，需要大功率的電機(jī)帶動履帶運(yùn)動，對電源的要求較高；在彎道轉(zhuǎn)彎時不易貼緊管道內(nèi)表面，容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。所以履帶的長度也不能太長。

同時L/B如果太大，會增大轉(zhuǎn)向阻力，增大轉(zhuǎn)向功率，加大轉(zhuǎn)向困難；L/B如果太小，會影響機(jī)器人行駛穩(wěn)定性[6]：

故選取履帶的長度為：L=580mm。

最后，分析履帶的高度。因?yàn)槁膸У母叨仁芄艿乐睆降闹萍s，同時還受傘狀撐開桿結(jié)構(gòu)的影響；由于傘狀撐開桿結(jié)構(gòu)要能在直徑為400mm～1000mm范圍管道內(nèi)變化，并且桿長要達(dá)到給定的范圍。故通過對撐開桿組的分析設(shè)計，最終確定履帶的高度H=175mm。

圖3 CAD模擬圖

1.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

該機(jī)器人旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由內(nèi)部絲杠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和外部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

內(nèi)部絲杠結(jié)構(gòu)通過電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)腿的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)的張合。其運(yùn)用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動；推動機(jī)腿的伸縮，使機(jī)器人適應(yīng)不同管徑。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)相對于齒輪齒條結(jié)構(gòu)具有更高的精確度，在豎直管道行進(jìn)作業(yè)中壓力的微小變化就有可能使機(jī)器人打滑甚至摔毀，所以選擇絲杠機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 絲杠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)CAD圖及實(shí)物圖

外部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過電機(jī)帶動機(jī)體后蓋旋轉(zhuǎn)改變行走機(jī)構(gòu)的角度，通過行走機(jī)構(gòu)在管道中旋轉(zhuǎn)行進(jìn)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人彎道轉(zhuǎn)向。打破了常規(guī)的輪式轉(zhuǎn)向的不順暢的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)彎道流暢轉(zhuǎn)向。如圖5所示。

圖5 外部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

1.3 清洗機(jī)構(gòu)

清洗機(jī)構(gòu)是采用高壓噴頭清洗，高壓噴頭采用圓錐形狀，在使用過程中通過噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮，將高壓的液體和空氣在噴嘴中聚集起來然后急速噴出，產(chǎn)生高沖擊力的水流從外側(cè)噴出，噴頭在壓力的作用下不斷抖動，從而清洗掉管道內(nèi)的大部分淤泥等雜質(zhì)。如圖6所示。

圖6 高壓噴頭

2 機(jī)器人動力機(jī)構(gòu)

2.1 電機(jī)選取

該機(jī)器人受力如圖7所示，預(yù)?。?/p>

由于三履帶呈120°分布：

（μ為橡膠與鋼材之間的摩擦系數(shù)）

假設(shè)清洗機(jī)器人最大速度為0.5m/s：

故選取功率為200w的電機(jī)。

圖7 機(jī)器人受力圖

2.2 電源選取

考慮到管道內(nèi)徑變化比較復(fù)雜，大部分情況又是在野外作業(yè)，需要機(jī)器人要有自帶的供電系統(tǒng)，有較為靈活的運(yùn)動能力，并且工作連續(xù)時長越長越好。因此在電源的選取上需要重量輕，體積小，并且電量大的供電電源。根據(jù)機(jī)器人電機(jī)的電壓和電路板電壓的要求，再結(jié)合實(shí)際市場上可選擇的情況，選擇由3.7V單體鋰電池組成的鋰電池組，其具有電壓可自主裝配調(diào)節(jié)，并且價格低廉。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

由于考慮到機(jī)器人的供電電量有限，且機(jī)器人的電機(jī)控制系統(tǒng)不宜選用復(fù)雜系統(tǒng)，因此機(jī)器人控制系統(tǒng)選用PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)是對于直流電機(jī)無極調(diào)速最優(yōu)化的調(diào)速系統(tǒng)。PWM調(diào)速系統(tǒng)可調(diào)節(jié)頻帶寬，電流脈動小，電源功率因素高級，電機(jī)動態(tài)硬度好，而且技術(shù)已經(jīng)非常成熟，使用普通的芯片和電路系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)其功能。

本機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為行走機(jī)構(gòu)控制、絲杠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制及外部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制。每個控制系統(tǒng)獨(dú)力地由一個PWM脈寬調(diào)節(jié)器控制。行走機(jī)構(gòu)要求控制系統(tǒng)能夠統(tǒng)一控制三個電機(jī)，從而在脈沖作用下實(shí)現(xiàn)同步前行，并且通過調(diào)制PWM波就能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在行走速度上的控制。絲杠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制通過單一電調(diào)發(fā)射脈沖信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)的張開閉合，同理也能通過PWM波的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)。外部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過單一電調(diào)發(fā)射脈沖信號，實(shí)現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)，從而轉(zhuǎn)向。

4 機(jī)器人定位系統(tǒng)

如果機(jī)器人在清洗過程中遇到嚴(yán)重阻塞，需人工處理時，需要對管道中機(jī)器人的定位來確定管道阻塞位置。雖然管道是封閉的，但路徑是固定的，因此可仿照出租車?yán)锍滔到y(tǒng)計算出行進(jìn)里程[7]，而后通過里程和管道路線對比來判斷機(jī)器人的具體位置，從而快速精確地判斷出阻塞嚴(yán)重的位置，來實(shí)施人工清污。

5 彎道轉(zhuǎn)向技術(shù)分析

機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程，假設(shè)：

1）機(jī)器人履帶與管道無縫貼合；

2）單根履帶與管道的接觸處摩擦力處處相同；

3）空氣阻力、傳動機(jī)構(gòu)間內(nèi)阻力、履帶與驅(qū)動輪間的內(nèi)阻力忽略不計。

該機(jī)器人轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)，是通過尾部后蓋的旋轉(zhuǎn)帶動行走機(jī)構(gòu)尾部的的轉(zhuǎn)向，通過機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)與主體呈一定的角度螺旋式行進(jìn)，從而順滑地通過彎道?，F(xiàn)對轉(zhuǎn)向所需功率做分析：

圖8 機(jī)器人管道對比圖

取前支撐桿到后支撐桿的距離為S=500mm。

可近似看作：

同理計算出：

尾蓋的直徑為：

故電動機(jī)功率為：

外部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)際電機(jī)功率足夠帶動尾部旋轉(zhuǎn)。

尾部機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度越大，越容易實(shí)現(xiàn)彎道螺旋式行進(jìn)。

設(shè)尾部旋轉(zhuǎn)最大角度為θ時；

撐開桿組尾部支撐桿要下降

同時轉(zhuǎn)動

因?yàn)閾伍_桿組為平行四邊形機(jī)構(gòu)，所以將帶動行走機(jī)構(gòu)尾部下降h，同時轉(zhuǎn)動β；

而對應(yīng)的行走機(jī)構(gòu)前部將向上移動

將額外產(chǎn)生

σ為橡膠的許用應(yīng)力。

又因此時電機(jī)產(chǎn)生的功率

得出此時旋轉(zhuǎn)最大角度θ≤10°。

為了保障旋轉(zhuǎn)時傘狀撐開桿組的安全使用，平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向角度取5°～10°。

6 結(jié)論

本文在設(shè)計管道清洗機(jī)器人過程中通過文獻(xiàn)查閱，網(wǎng)絡(luò)搜索了解到管道機(jī)器人的應(yīng)用場地，總結(jié)各種管道機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，了解到市場上管道清洗機(jī)器人彎道轉(zhuǎn)向的不足，側(cè)重于優(yōu)化彎道轉(zhuǎn)向的技術(shù)。創(chuàng)新出螺旋式彎道轉(zhuǎn)向技術(shù)，打破常規(guī)彎道轉(zhuǎn)型不靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)彎道無阻流暢轉(zhuǎn)向。機(jī)器人的另一個創(chuàng)新點(diǎn)在于利用傘狀結(jié)構(gòu)，更好地適用于不同直徑的管道以及不同用途的管道作業(yè)要求，使機(jī)器人可以應(yīng)用于多種工作情況，使得機(jī)器人有更為廣闊的運(yùn)用前景。

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